JP2022143052A - 電気化学反応セル - Google Patents
電気化学反応セル Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022143052A JP2022143052A JP2021043382A JP2021043382A JP2022143052A JP 2022143052 A JP2022143052 A JP 2022143052A JP 2021043382 A JP2021043382 A JP 2021043382A JP 2021043382 A JP2021043382 A JP 2021043382A JP 2022143052 A JP2022143052 A JP 2022143052A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- reaction
- reaction electrode
- reduction
- reduction reaction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims abstract description 90
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 83
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims abstract description 41
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 5
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 14
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 13
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 12
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 11
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 10
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 6
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 5
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene Substances 0.000 description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 2
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- KBLZDCFTQSIIOH-UHFFFAOYSA-M tetrabutylazanium;perchlorate Chemical compound [O-]Cl(=O)(=O)=O.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC KBLZDCFTQSIIOH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 description 2
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000297 Rayon Polymers 0.000 description 1
- 239000012327 Ruthenium complex Substances 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002978 Vinylon Polymers 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 150000001722 carbon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000005457 ice water Substances 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 239000002964 rayon Substances 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Cell Separators (AREA)
Abstract
【課題】反応面積を低下させることなく、反応に使用される液体をより均一に供給することができる電気化学反応セルを提供する。【解決手段】対向して配置された酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間隔を規定する複数のスペーサ１０と、スペーサ１０の間に亘って設けられた支柱１２と、互いに間隔を保つように支柱１２によって支持され、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間に流される電解液１０８の流れを規制する複数の整流板１１４と、を備える電気化学反応セル１００とする。【選択図】図４
Description
本発明は、電気化学反応セルに関する。
容器内に還元反応用電極と酸化反応用電極とを離間させて対向させ、還元反応用電極と酸化反応用電極との間に電解液を流通させることで、電解液に含有される物質（反応基質）を化学反応させる電気化学反応セルが開示されている（特許文献１）。
また、還元反応用電極と酸化反応用電極との間に導入口から排出口に向かって電解液を流す構成において、電解液の流れを制限するフィンを設けた構成が開示されている（特許文献２）。
ところで、従来技術のフィンを設けた構成では、還元反応用電極及び酸化反応用電極の反応面の一部をフィンが覆ってしまうために各電極における反応に寄与できる領域の面積が小さくなってしまっていた。例えば、特許文献２に記載の構成では、流路の幅１０ｍｍ、フィンの幅６ｍｍとすると還元反応用電極及び酸化反応用電極の反応面積に対してフィンが覆う面積は３７．５％となり、反応面積が大幅に小さくなるので反応効率の低下が大きかった。
本発明の１つの態様は、対向して配置された還元反応用電極と酸化反応用電極との間隔を規定する複数のスペーサと、前記スペーサの間に亘って設けられた支柱と、互いに間隔を保つように前記支柱によって支持され、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間に流される電解液の流れを規制する複数の整流板と、を備えることを特徴とする電気化学反応セルである。
ここで、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の積層方向に沿った前記整流板の高さは前記スペーサの高さより小さく、前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極の反応面と前記整流板が離れていることが好適である。
また、前記支柱に前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の間を仕切るセパレータが取り付けられていることが好適である。
また、前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極の各々において前記整流板によって覆われる面積は１０％以下であることが好適である。前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極の各々において前記整流板によって覆われる面積は５％以下であることがより好適である。
また、前記支柱は、前記電解液に対して耐蝕性及び絶縁性を有することが好適である。
本発明によれば、反応面積を低下させることなく、反応に使用される液体をより均一に供給することができる電気化学反応セルを提供できる。
本発明の実施の形態における電気化学反応セル１００は、図１の斜視模式図及び図２，図３の断面模式図に示すように、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、セパレータ１０６、電解液１０８、容器１１０、オリフィス板１１２及び整流板１１４を含んで構成される。
図２は、電解液１０８が供給されていない状態における電気化学反応セル１００をＹ－Ｚ平面で切断した断面図を示す。図３は、電解液１０８が供給されている状態における電気化学反応セル１００をＹ－Ｚ平面で切断した断面図を示す。
酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、それぞれＸ方向及びＺ方向に拡がる板状の部材であり、Ｙ方向に沿って互いに対向するように配置される。本実施の形態では、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、セパレータ１０６を挟んで互いの触媒が担持されたＸ－Ｚ面方向に広がった反応面が対向するように配置されている。
また、本実施の形態では、図２，３の左側から酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４がＹ方向に沿って配置され、次に還元反応用電極１０４、セパレータ１０６及び酸化反応用電極１０２がＹ方向に沿って配置され、次に酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４がＹ方向に沿って配置され、次に還元反応用電極１０４、セパレータ１０６及び酸化反応用電極１０２がＹ方向に沿って配置され、次に酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４がＹ方向に沿って配置されている。すなわち、酸化反応用電極１０２、セパレータ１０６及び還元反応用電極１０４からなる電極の組がＹ方向に沿って複数スタックされている。
還元反応用電極１０４は、還元反応によって物質を還元するために利用される電極である。還元反応用電極１０４は、基板の基板上に導電層及び還元触媒層を積層した構造を有する。基板は、還元反応用電極１０４を構造的に支持する部材であり、例えばガラス基板等の絶縁体、チタン（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等を含む金属、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、シリコン（Ｓｉ）等を含む半導体を含んでもよい。基板を絶縁体とした場合、基板と還元触媒層との間に導電層が設けられる。導電層は、還元反応用電極１０４の還元触媒層に対して電圧を印加するために設けられる。導電層は、特に限定されるものではないが、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の透明導電層とすることが好適である。還元触媒層は、還元触媒機能を有する材料から構成される。還元触媒層は、錯体触媒を含むことが好適である。還元触媒層は、例えば、ルテニウム錯体とすることが好適である。錯体触媒は、例えば、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）（ＭｅＣＮ）Ｃｌ２］、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）２Ｃｌ２］、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）２］ｎ、［Ｒｕ｛４，４’－ｄｉ（１－Ｈ－１－ｐｙｒｒｏｌｙｐｒｏｐｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）－２，２’－ｂｉｐｙｒｉｄｉｎｅ｝（ＣＯ）（ＣＨ３ＣＮ）Ｃｌ２］等とすることができる。
なお、錯体触媒による修飾は、錯体をアセトニトリル（ＭｅＣＮ）溶液に溶解した液を導電層の上に塗布することで作ることができる。また、錯体触媒による修飾は、電解重合法により行うこともできる。作用極として導電層の電極、対極にフッ素含有酸化スズ（ＦＴＯ）で被覆したガラス基板、参照電極にＡｇ／Ａｇ＋電極を用い、錯体触媒を含む電解液中においてＡｇ／Ａｇ＋電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ａｇ／Ａｇ＋電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことにより導電層の表面上を錯体触媒で修飾することができる。電解質の溶液には、アセトニトリル（ＭｅＣＮ）、電解質には、Ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ（ＴＢＡＰ）を用いることができる。
また、還元触媒層は、カーボン材料（Ｃ）を含む材料から構成することができる。カーボン材料の構造体の単体のサイズが１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好適である。カーボン材料は、例えば、カーボンナノチューブ、グラフェン及びグラファイトの少なくとも１つを含むことが好適である。グラフェン及びグラファイトであればサイズが１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好適である。カーボンナノチューブであれば直径が１ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることが好適である。導電体は、エタノール等の液体に混ぜ合わせたカーボン材料をスプレーで塗布し、加熱することによって形成することができる。スプレーの代わりに、スピンコートによって塗布してもよい。また、スピンコートを用いず、直接溶液を滴下して乾かして塗布してもよい。
酸化反応用電極１０２は、酸化反応によって物質を酸化するために利用される電極である。酸化反応用電極１０２は、基板上に形成される。酸化反応用電極１０２は、導電層及び酸化触媒層を含んで構成される。基板は、酸化反応用電極１０２を構造的に支持する部材であり、例えば、還元反応用電極１０４に用いられる基板と同様の材料とすることができる。基板を絶縁体とした場合、基板と酸化触媒層との間に導電層が設けられる。導電層は、酸化反応用電極１０２の酸化触媒層に対して電圧を印加するために設けられる。導電層は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等とすることが好適である。酸化触媒層は、酸化触媒機能を有する材料を含んで構成される。酸化触媒機能を有する材料は、例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）を含む材料とすることができる。
酸化イリジウムは、ナノコロイド溶液として導電層の表面上に担持することができる。例えば、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイドを合成する。次に、２ｍＭの塩化イリジウム酸（ＩＶ）カリウム（Ｋ２ＩｒＣｌ６）水溶液５０ｍｌに１０ｗｔ％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を加えてｐＨ１３に調整した黄色溶液を、ホットスターラーを用いて９０℃で２０分加熱する。これによって得られた青色溶液を氷水で１時間冷却する。そして、冷やした溶液（２０ｍｌ）に３Ｍ硝酸（ＨＮＯ３）を滴下してｐＨ１に調整し、８０分攪拌し、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイド水溶液を得る。さらに、この溶液に１．５ｗｔ％ＮａＯＨ水溶液（１－２ｍｌ）を滴下してｐＨ１２に調整する。このようにして得られた酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイド水溶液を、導電層上にｐＨ１２に塗布し、乾燥炉内にいて６０℃で４０分間保持して乾燥させる。乾燥後、析出した塩を超純水で洗浄し、酸化反応用電極１０２を形成することができる。なお、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）のナノコロイド水溶液の塗布及び乾燥を複数回繰り返してもよい。
電気化学反応セル１００では、積層方向（Ｙ方向）に沿って隣り合う組の酸化反応用電極１０２の裏面同士を貼り合わせ、還元反応用電極１０４の裏面同士を貼り合わせて、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、還元反応用電極１０４、酸化反応用電極１０２・・・とスタックして１つの容器１１０に収納した構成とすることもできる。また、隣り合う組の酸化反応用電極１０２の基板の両面に酸化触媒層を形成し、還元反応用電極１０４の基板の両面に還元触媒層を形成し、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、還元反応用電極１０４、酸化反応用電極１０２・・・とスタックして１つの容器１１０に収納した構成とすることもできる。
電気化学反応セル１００は、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２の間に電解液１０８を導入することで機能する。すなわち、図３に示すように、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２を囲むように容器１１０を配置し、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２の表面に反応物が溶解された電解液１０８を供給する。
反応物は、炭素化合物とすることができ、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）とすることができる。また、電解液１０８は、リン酸緩衝水溶液やホウ酸緩衝水溶液とすることが好適である。具体的な構成例では、二酸化炭素（ＣＯ２）飽和リン酸緩衝液のタンクを設け、ポンプによって当該液を電解液供給口から還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２との表面に供給する。還元反応によって生じたギ酸（ＨＣＯＯＨ）等の液体生成物は電解液１０８と共に電解液排出口１１０ｂより排出されるので、これを外部の燃料タンクに回収する。還元反応によって生じた一酸化炭素（ＣＯ）等の気体生成物はガス排気口１１０ｃより排出されるので、これを外部の燃料タンクに回収する。
本実施の形態では、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４は、触媒が担持された反応面が鉛直方向（Ｘ－Ｚ面内方向）となるように容器１１０内に配置される。また、本実施の形態では、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の組１２０がＹ方向に沿って複数スタックされた構成としている。
また、還元反応用電極１０４と酸化反応用電極１０２との間を電気的に接続し、適切なバイアス電圧を印加した状態とすることが好適である。バイアス電圧を印加する手段は、特に限定されるものではなく、化学的電池（一次電池、二次電池等を含む）、定電圧源、太陽電池等が挙げられる。このとき、酸化反応用電極１０２に正極が接続され、還元反応用電極１０４に負極が接続される。酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の接続は適宜設定すればよい。例えば、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の一部を直列、並列又は直並列に接続するようにしてもよい。さらに、接続を切り換えるスイッチを設けて酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４のバイアス電源への接続構成を変更できるようにしてもよい。
バイアス電源として太陽電池を採用した場合、太陽電池は、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４に隣接して配置することができる。例えば、還元反応用電極１０４の背面に太陽電池セルを配置し、太陽電池セルの正極を酸化反応用電極１０２に接続し、負極を還元反応用電極１０４に接続すればよい。バイアス電源を太陽電池とした場合、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の組を単独で使用すると、太陽電池の効率が悪い動作点で使用される場合がある。一方、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の複数の組を並列となるように接続した場合、太陽電池の効率が良い動作点で使用することが可能になる。
二酸化炭素（ＣＯ２）からギ酸（ＨＣＯＯＨ）等を合成する場合、水（Ｈ２Ｏ）は酸化されて二酸化炭素（ＣＯ２）に電子とプロトンを供給する。ｐＨ７付近では水（Ｈ２Ｏ）の酸化電位は０．８２Ｖ、還元電位は?０．４１Ｖ（何れもＮＨＥ）である。また、二酸化炭素（ＣＯ２）から一酸化炭素（ＣＯ）、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メチルアルコール（ＣＨ３ＯＨ）への還元電位はそれぞれ?０．５３Ｖ，?０．６１Ｖ，?０．３８Ｖである。したがって、酸化電位と還元電位の電位差は１．２０～１．４３Ｖである。
容器１１０は、酸化反応用電極１０２、還元反応用電極１０４、セパレータ１０６、整流板１１４等を支持すると共に、電解液１０８が流れる流路を構成する部材である。容器１１０は、電気化学反応セル１００をセルとして構成するために必要な機械的な強度を備える材料で構成される。例えば、容器１１０は、金属、プラスチック等によって構成することができる。
容器１１０には、容器１１０内に電解液１０８を供給するための電解液供給口１１０ａが設けられる。また、容器１１０内から電解液１０８を排出するための電解液排出口１１０ｂが設けられる。すなわち、電解液供給口１１０ａから反応させるための物質を含んだ電解液１０８を容器１１０内に供給し、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４の間の反応領域に電解液１０８を流通させた後、電解液排出口１１０ｂから電解液１０８を容器１１０の外へ排出する。
また、容器１１０には、電気化学反応セル１００における反応によって生じた気体を容器１１０から排出させるガス排気口１１０ｃが設けられる。容器１１０において、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４が配置された反応領域よりも鉛直方向に沿って上方にガス排気口１１０ｃを配置することが好適である。
さらに、電気化学反応セル１００には、オリフィス板１１２が設けられる。オリフィス板１１２は、電解液供給口１１０ａから容器１１０内へ導入される電解液１０８の流れを制限する貫通孔であるオリフィス孔１１２ａ，１１２ｂが設けられた部材である。オリフィス板１１２は、容器１１０において電解液供給口１１０ａから酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４が設けられた領域に至る流路上に配置される。オリフィス板１１２は、必要な機械的な強度を備える材料で構成される。例えば、オリフィス板１１２は、金属、プラスチック等によって構成することができる。
図４～図６は、電気化学反応セル１００に適用されている整流板１１４及びセパレータ１０６の構成を示す。図４及び図５は、電気化学反応セル１００における酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の積層方向（Ｙ方向）からみた表面と裏面の構成を示す。図６は、電解液１０８の流れる方向（Ｚ方向）からみた拡大図である。
整流板１１４は、スペーサ１０と支柱１２を組み合わせて構成される枠体によって機械的に支持される。
スペーサ１０は、電解液１０８の流れる方向（Ｚ方向）に沿って配置される棒状部材である。スペーサ１０を構成する材料は、特に限定されるものではないが、電解液１０８による腐食や損傷を受け難く、電気的な絶縁性を有する材料で構成することが好適である。スペーサ１０は、枠体の両側に配置される。スペーサ１０は、整流板１１４及びセパレータ１０６を機械的に支持する部材として使用されると共に、向かい合わせて配置される酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４の間隙を規定する部材として利用することができる。例えば、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４の間隙を１０ｍｍにしたい場合、スペーサ１０の高さｈ１を１０ｍｍにすることが好適である。また、スペーサ１０の幅ｔ１は、例えば１０ｍｍにすることが好適である。
支柱１２は、スペーサ１０と共に枠体を構成する部材である。支柱１２は、電解液１０８の流れる方向（Ｚ方向）に交差する方向に配置され、枠体の両側に配置されたスペーサ１０の間を接続する。支柱１２によって、スペーサ１０の間隔を一定に維持することができる。また、支柱１２には、整流板１１４が固定される。したがって、支柱１２によって整流板１１４の間隔を一定に維持することができる。支柱１２の数は、特に限定されるものではないが、スペーサ１０及び整流板１１４の間隔をできるだけ均一に保つことができる数とすることが好適である。
支柱１２を構成する材料は、電解液１０８による腐食や損傷を受け難く、電気的な絶縁性を有する材料で構成することが好適である。例えば、支柱１２は、金属の棒に樹脂製の熱収縮チューブを被せて構成することが好適である。
整流板１１４は、電気化学反応セル１００において電解液１０８の流れを制限する部材である。整流板１１４を構成する材料は、特に限定されるものではないが、電解液１０８による腐食や損傷を受け難く、電気的な絶縁性を有する材料で構成することが好適である。整流板１１４は、板状の部材であり、電解液１０８の流れる方向（Ｚ方向）に沿って延設される。
整流板１１４の酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の積層方向（Ｙ方向）の高さ及び酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の面内方向（Ｘ方向）の幅は適宜設定すればよい。ただし、整流板１１４の酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の積層方向（Ｙ方向）の高さｈ２は、スペーサ１０の高さｈ１以下とし、高さｈ１未満とすることがより好適である。例えば、スペーサ１０の高さｈ１を１０ｍｍにした場合、整流板１１４の高さｈ２を８ｍｍとすることが好適である。
整流板１１４の高さｈ２をスペーサ１０の高さｈ１未満とすることによって、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４の間にスペーサ１０を挟み込んで酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４との間隙を高さｈ１に合わせた状態において、整流板１１４と酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の表面との間に隙間を設けることができる。これによって、後述するように整流板１１４によって電解液１０８の流れを均一化できると共に、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の表面において整流板１１４によって覆われる領域がなくなり、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の利用効率を高めることができる。
また、電気化学反応セル１００では、スペーサ１０と支柱１２によって整流板１１４を支持する枠が構成され、支柱１２によって整流板１１４同士の間隙が均一に維持されるので整流板１１４の幅ｔ２を小さくすることができる。例えば、整流板１１４のＸ方向の幅ｔ２は２ｍｍとすることができる。１ｍ角の酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４に対して、幅ｔ２を２ｍｍにした整流板１１４を１８枚配置した場合、酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の反応面積に対して整流板１１４が覆う面積は４．０％に抑えることができる。これによって、従来の構成に比べて、反応面積が大きくなるので電気化学反応セル１００では反応効率を向上させることができる。このように、電気化学反応セル１００では、整流板１１４によって覆われる面積は１０％以下とすることができ、さらに５％以下とすることができる。
セパレータ１０６は、酸化反応用電極１０２と還元反応用電極１０４の間を仕切る部材である。セパレータ１０６は、電解液１０８内においてプロトンを伝達することができる多孔体であるプロトン伝導フィルムによって構成することができる。セパレータ１０６は、例えば、レーヨン不織布、ビニロン不織布、親水化超高分子量ポリエチレン多孔体フィルム、親水化ポリプロピレンメッシュ、親水化超高分子量ポリエチレン多孔質フィルムのうち少なくとも１つで構成することができる。なお、セパレータ１０６を必要としない場合、セパレータ１０６を設けない構成としてもよい。
電気化学反応セル１００では、電解液１０８の流れる方向（Ｚ方向）に沿って延設された整流板１１４によって区切られた領域毎に短冊平板状のセパレータ１０６を酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４の表面に対向させるように並べて配置することができる。セパレータ１０６の各々は、支柱１２に貼り付ける等して固定すればよい。
図７及び図８は、スペーサ１０の高さｈ１を１０ｍｍに設定して酸化反応用電極１０２及び還元反応用電極１０４を１０ｍｍ離間させてＹ方向に沿って対向させ、電解液１０８をＺ方向の下部から上部へ向かって流した際の電解液１０８の流れを流体解析した結果を示す。図７は、整流板１１４を設けなかった構成における流体解析の結果を示す。図８は、Ｚ方向に沿って整流板１１４を延設して配置し、整流板１１４の高さｈ２を８ｍｍとした構成における流体解析の結果を示す。いずれの場合も流体（水）を３２Ｌ／ｍｉｎ流したときの流れを解析した。
図７に示すように、整流板１１４を設けていない構成では、流路下部において流れの向きに乱れが生じた。また、流体の一部において流速が著しく低下している部分が生じた。一方、図８に示すように、整流板１１４を設けた構成では、整流板１１４に沿った流体の流れが生じ、流路の下部から上部へ向かって流れを整えられた。
図９は、下部から上部へ向かう流路をＸ方向に切ったライン（図７及び図８のラインＡ）上に１０点の評価ポイントを設けて流速を求めた結果を示す。整流板１１４を設けない構成では流速の標準偏差は９．３５×１０－４であったが、整流板１１４を設けた構成では流速の標準偏差は７．００×１０－４であった。このように、整流板１１４を設けた構成では整流板１１４を設けない構成に比べて流体の流速のＸ方向の分布が均一化された。
１０ スペーサ、１２ 支柱、１００ 電気化学反応セル、１０２ 酸化反応用電極、１０４ 還元反応用電極、１０６ セパレータ、１０８ 電解液、１１０ 容器、１１０ａ 電解液供給口、１１０ｂ 電解液排出口、１１０ｃ ガス排気口、１１２（１１２ａ，１１２ｂ） オリフィス板、１１４ 整流板。
Claims (6)
- 対向して配置された還元反応用電極と酸化反応用電極との間隔を規定する複数のスペーサと、
前記スペーサの間に亘って設けられた支柱と、
互いに間隔を保つように前記支柱によって支持され、前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極との間に流される電解液の流れを規制する複数の整流板と、
を備えることを特徴とする電気化学反応セル。 - 請求項１に記載の電気化学反応セルであって、
前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の積層方向に沿った前記整流板の高さは前記スペーサの高さより小さく、前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極の反応面と前記整流板が離れていることを特徴とする電気化学反応セル。 - 請求項１又は２に記載の電気化学反応セルであって、
前記支柱に前記還元反応用電極と前記酸化反応用電極の間を仕切るセパレータが取り付けられていることを特徴とする電気化学反応セル。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の電気化学反応セルであって、
前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極の各々において前記整流板によって覆われる面積は１０％以下であることを特徴とする電気化学反応セル。 - 請求項４に記載の電気化学反応セルであって、
前記還元反応用電極及び前記酸化反応用電極の各々において前記整流板によって覆われる面積は５％以下であることを特徴とする電気化学反応セル。 - 請求項１～４のいずれか１項に記載の電気化学反応セルであって、
前記支柱は、前記電解液に対して耐蝕性及び絶縁性を有することを特徴とする電気化学反応セル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021043382A JP2022143052A (ja) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 電気化学反応セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021043382A JP2022143052A (ja) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 電気化学反応セル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022143052A true JP2022143052A (ja) | 2022-10-03 |
Family
ID=83453837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021043382A Pending JP2022143052A (ja) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 電気化学反応セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2022143052A (ja) |
-
2021
- 2021-03-17 JP JP2021043382A patent/JP2022143052A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Huan et al. | Low-cost high-efficiency system for solar-driven conversion of CO2 to hydrocarbons | |
| Kato et al. | A large-sized cell for solar-driven CO2 conversion with a solar-to-formate conversion efficiency of 7.2% | |
| US7241950B2 (en) | Solar cell electrolysis of water to make hydrogen and oxygen | |
| EP2439313B1 (en) | Photoelectrochemical cell | |
| EP3378969A1 (en) | Electrochemical reaction device | |
| US8454807B2 (en) | Photoelectrochemical cell | |
| Marschall et al. | Composite proton-conducting polymer membranes for clean hydrogen production with solar light in a simple photoelectrochemical compartment cell | |
| US20160351938A1 (en) | A solar rechargeable redox flow cell | |
| JP2015228364A (ja) | レドックスフロー電池 | |
| JP2019507240A5 (ja) | ||
| Qureshy et al. | Development of a new solar photoelectrochemical reactor design for more efficient hydrogen production | |
| JPS5942420B2 (ja) | アルカリ金属の陰極板と水性電解液とを用いた電気化学電池 | |
| US20190249314A1 (en) | Optical fiber, optical cable, and hydrogen production device comprising optical cable | |
| CN111916809B (zh) | 自吸式纸基微流体燃料电池堆 | |
| JP2022143052A (ja) | 電気化学反応セル | |
| JP7172121B2 (ja) | 電気化学反応セル及びそれを用いた人工光合成セル | |
| JP7200905B2 (ja) | 化学反応装置 | |
| JP7327073B2 (ja) | 化学反応装置 | |
| KR101667110B1 (ko) | 전기 화학 단위 셀 | |
| JP7459477B2 (ja) | 反応装置 | |
| JP7293709B2 (ja) | 電気化学反応装置および人工光合成装置 | |
| JP2023039080A (ja) | 化学反応装置 | |
| JP2005116416A (ja) | 燃料電池とこれに使用する膜電極接合体の製造方法 | |
| US11145921B2 (en) | Vapor phase photo-electrochemical cell | |
| JP7327341B2 (ja) | 反応セル用セパレーター、およびそれを用いた反応セル |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230320 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240123 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240227 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20240403 |